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Digitale Zwillinge simulieren Optimum

Ein wichtiges Tool sind so genannte digitale Zwillinge. Mit ihnen können Bauteile und Prozesse bereits in einem frühen Entwicklungsstadium abgebildet, getestet und optimiert werden. An der Hochschule Landshut beschäftigen sich Experten beispielsweise mit dem Leichtmetall Magnesium und entwickeln derzeit digitale Modelle, um dessen Ermüdungsverhalten bei Dauerbeanspruchung zu analysieren und damit Analysen im elastisch-plastischen Bereich per Finite-Elemente-Methode (FEM) durchführen zu können.

Mit einem digitalen Zwilling arbeitet auch die Neue Materialien Bayreuth GmbH. Sie hat eine dreistufige Prozesskette entwickelt, mit der sich unidrektionale Faserverbund-Tapes wirtschaftlich in Bauteile formen lassen. Dafür wurde die Gesamtanlage digitalisiert abgebildet. Die hinterlegte KI-Software berechnet nun die Tapebreite, die Legerichtung und die Lage der zu setzenden Schweißpunkte im jeweils optimalen Modus. Auch können unterschiedliche Verbunde digital miteinander verglichen werden.

„Durch Kombination unterschiedlicher Verbunde sinken Kosten und Emissionen deutlich“, so Bereichsleiter Dr. Thomas Neumeyer über die Ergebnisse, die man anhand eines Pkw-Türholms erarbeitet hat.

Das ist in Sachen Maschinenbau zu beachten:

Aber wie einfach lassen sich aber die Klassiker Stahl oder Guss durch leichte Faserverbunde ersetzen? Für den Maschinenbau ist das eine spannende Frage, der sich die Avantgarde Technologie GmbH gemeinsam mit anderen Partnern im Rahmen eines Forschungsprojekts gewidmet hat. Die Projektpartner ersetzten den Guss-Greifer einer Maschine zur Blechbearbeitung durch einen Greifer aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK). Der neue Greifer ist zwar theoretisch um rund 80 Prozent leichter, doch durch die notwendigen Stahlanbindungen und Metallteile für die Lasteinleitung schrumpfte der Gewichtsvorteil deutlich. „Im Maschinenbau ist es deshalb sinnvoller, die gesamte Maschine aus Leichtbauwerkstoffen zu konstruieren“, empfiehlt Geschäftsführer Wulfram Schmucker.

Double-Double-Architektur beschleunigt Leichtbau

Prof. Dr. Klemens Rother ist Leichtbauexperte an der Hochschule München. Er glaubt, dass der Durchbruch des Leichtbaus nur über einen Paradigmenwechsel möglich wird. Seiner Meinung nach, ist die Fertigung und Analyse von Faserverbunden bisher viel zu kompliziert und aufwendig. Ein ursprünglich an der US-amerikanischen Stanford University entwickeltes Konzept sieht aber nun vor, dass sich Laminate viel schneller und preiswerter mit der sogenannten Double-Double-Architektur fertigen lassen könnten. Dabei bilden vier hauchdünne Einzellagen, in denen die Fasern in vier unterschiedlichen Winkeln ausgerichtet sind (±Φ/±Ψ), ein sogenanntes Sublaminat. Aus den Sublaminaten wird das Bauteil je nach späterer, örtlicher Belastung mit dickeren und dünneren Bereichen aufgebaut. Auch entfällt die aufwendige Analyse mehrerer Steifigkeitskennwerte. Stattdessen werden in einem neuen Trace-Kennwert alle wichtigen Daten subsummiert. „Das spart Zeit, Kosten und Material“, macht Rother klar.

Dass der Leichtbau vom Massenmarkt aber noch weit entfernt ist, zeigen auch die Erfahrungen mit der Additiven Fertigung. Trotz minimal möglichen Materialeinsatz für komplexeste Konstrukte, ist das Ausgangsmaterial teuer, der Bauraum der Drucker begrenzt und die Fertigung zu langsam. „Bauteile aus dem 3D-Drucker sind wirtschaftlich noch nicht konkurrenzfähig“, konstatiert Stefanus Stahl vom Additive Manufacturing Campus der BMW Group. Dennoch gibt es Ansätze, um das zu ändern. Einer der Kostentreiber sind etwa die Stützstrukturen, die das Bauteil während der Herstellung stabilisieren und auch Material verbrauchen. Nach der Fertigung sind sie nutzlos und werden entfernt. Laut Stahl gelang es BMW durch andere Positionierung Teile auch ohne Stützen zu drucken.

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